作者:Sanjay Pithadia

(註:本文曾刊於 機械設計雜誌。)

穿戴式病患監測器市場正快速成長。遠端病患監測設備能協助醫師即時監測患者狀況,使人得以一窺未來健康護理物聯網的樣貌。

遠端病患監護可節省患者與醫師時間,提供門診患者重要資訊。維持患者的行動能力亦蔚為趨勢。遠端病患監測裝置加密連線至無線網路,使患者能更快離開醫院,並擺脫繁雜的電線。目前的穿戴式醫療產品不僅能測量生命徵象,更可作為個人緊急應變系統發揮作用。儘管這些終端產品類型複雜,病患監測器的設計常面臨五大共同挑戰:電力消耗(或電池壽命)、可攜性(或體積)、患者安全、資料傳輸安全以及整合。

圖1為穿戴式病患監測器的高階原理圖,特別強調各個子系統,包括電池管理、非隔離式DC/DC直流電源、隔離層與無線介面。德儀另一項參考設計為 醫療與消費性穿戴產品的無線心電圖、血氧飽和度、脈波傳遞時間與心率監測器參考設計

1穿戴式病患監測器高階原理圖

 

以下為設計穿戴式病患監測器的五大挑戰。

 

挑戰一:電池壽命

可攜式與穿戴式病患監測器通常以電池供電;對消費者而言,電池壽命會是購買決策的關鍵之一。由於多數病患監測器須持續進行測量與監控,電池壽命實為關鍵。電池供電系統須審慎分割、充分利用空間,並有效率地使用可用電荷。在有限空間內長時間提升電源效率時,同時確保更高功能性更顯重要。待命、睡眠、省電、休眠與關機等功能至關重要,能降低電源消耗、延長電池壽命。針對無線連網解決方案,喚醒時間與待命省電功能亦扮演關鍵角色。

半導體技術進展為遠距醫療產業帶來影響

您可選擇低功率微控制器(MCU)與類比積體電路,但若不設法優化電源管理,就無法於設計中使用多數最新技術。選擇適合的供電架構可使應用更具效率,延長電池運作時間。

多數設計師認為開關控制器或變壓器對高效率電源系統有所助益,而低壓差線性穩壓器(LDO)的效率較差。然而,LDO拓樸結構已經改變許多,可提供壓差極低的電壓。優化電池充電器的前端電源路徑、軌道中DC/DC直流變壓器與LDO後,仍可能利用負載開關降低任何負載的電源關閉電流。例如無線電模組的深度睡眠或休眠模式,便可能消耗超過10微安(µA)。負載開關可降低電源關閉電流至僅10奈安(nA)(見圖2)。

2:加上低漏負載開關,降低電源關閉電流

挑戰二:可攜性或體積

心率監測器、多功能監測貼片、連續血糖監測器、手持脈搏血氧儀、體能監測器與活動監測器等皆為可攜帶的穿戴式裝置。其中部分裝置為拋棄式,或以電池供電,需汰換。因此整體尺寸規格有限。

選擇電池類型與電池充電裝置、降壓轉換器或降壓/升壓轉換器,無線(或射頻)裝置封裝,都能縮減最終產品的體積。

目前有數項新技術,可將晶體整合至無線微控制器中。德儀的體聲波(BAW)技術可去除印刷電路板(PCB)上的外部晶體,減少布線體積、簡化布線路徑。此封裝技術革新亦可因應更高程度整合,節省更多空間。

針對遠端病患監護,德儀的BAW技術可提供可靠且即時的資料傳輸,以安全無線網路傳輸患者的生命徵象資料。

 

挑戰三:患者安全

患者安全為全球健康護理產業的優先要務。可攜式多功能病患監測器測量生命徵象,利用電源與資料隔離功能確保患者安全。資料與電源分別採用數位隔離器層和隔離式電源供給。隔離電源與資料時會面臨數個設計挑戰,包括輸出電壓調節、反饋機制、輸入電壓範圍、輸出功率與裝置體積考量,及合適的電力架構等。許多較新的電源隔離模組,如德州儀器的小體積 UCC12050 DC/DC直流變壓器,可支援500 mW輸出功率並強化隔離。

 

挑戰四:資料傳輸安全

可無線連網的醫療感測貼片與可攜式病患監測器須具備同業最佳安全防護。傳輸至護理站或醫師辦公室的患者資料為受保護的專有資訊。而資料盜竊是此方面技術的一大重點。

資訊安全措施層層保護患者與醫師之間的財產與資料傳輸。這些措施應能抵禦資安攻擊,安全傳輸患者資料,不僅於處理生命徵象參數、將之轉換為可顯示資料時,更須於資料傳輸過程中確保安全,即為空中傳輸(over-the-air)安全。

 

挑戰五:整合

醫療病患監測器的研發時間至關重要,因為上市時間需包括許多(全球與地區性的)標準實驗室檢測與審核。若裝置支援連線至多種雲端供應商,居家病患監護資料傳輸便可能僅需最低程度整合。將患者資料直接上傳至雲端可節省電路板上的記憶體空間。

跨平台(如Bluetooth®藍牙、藍牙低功耗與Wi-Fi®)程式碼相容性可減少程式碼的重複嘗試。以多核心通用非同步收發傳輸器整合而言,與額外處理器通訊時,介面標準與多個通用型輸入/輸出可支援多種系統層級需求和現成介面。欲了解更多資訊,請參閱《無線連網技術選擇指南》

 

結論

極小體積為醫療病患監護產品的下一波新趨勢。穿戴式與遠端病患監測器設計師克服各項挑戰,以可負擔價格、於市場推出更完善的裝置,體積更小、且仍具連網能力。醫療界將迅速採用更新的監測貼片。從已開發國家的醫院、開發中國家的遠距醫療中心,乃至於戰場診斷前線士兵傷勢,穿戴式裝置的迅速革新改變了健康護理領域的樣貌,改善照護品質。

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